隨著電子技術的提高以及電子產品的發展，一些系統中經常會需要負電壓為其供電。但你知道為什么有些測試設備選用負電壓測試，而有些設備要選用負電壓供電嗎？例如，在LCD背光系統中，會使用負電壓提供門級驅動和偏置電壓；另外，在系統的運算放大器中使用正負對稱的偏置電壓為其供電；第三，我們看到很多通信設備也使用-48V這樣的負電源系統... ...

首先，使用負電壓測試原理或是負電壓供電，可以避免設備在測試或使用過程中因電子積聚而產生大電流損壞測試設備和電子部件。

因為電子是帶負電荷的，它會向正電壓方向（高電位端）流動，電子的流動也就形成為電流。

使用負電壓時，過多的電子因為負電荷的緣故，會聚集到負電壓的高電平端，也就是設備電源的接地端，而不會聚集在測試設備上。這樣一來，設備因電子聚集而產生電流燒壞設備的機率就大大降低，設備的穩定性能就相應有所提高，設備的穩定性，直接決定了測試系統的穩定性和測量的精確一致度。

其次，根據物理學上電磁場的特性，使用負電壓可以在一定程度上避免電磁方面的干擾，這對于系統測試微安級或是更小級別的電信號時是有有益幫助的，能夠提高系統測試毫歐級的小電阻的精確度。而對于使用負電壓供電的設備，則可以提高設備的抗電磁干擾能力。

第三，根據電工學知識，我們知道，相較于正電壓，負電壓對人體和電子產品的安全性能也好于正電壓。

任何事物，都有其兩面性，我們并不能因為它有某些方面的優點，就說它是完美的，同樣的，負電壓也不例外。相較于正電壓，負電壓的不足亦很明顯。

簡單來說，由于我們現實中使用的電壓大多都是正電壓，這樣，產生不同量級的正電壓，相對于負電壓來說，則要容易的多，所花費的成本也要低的多。

如何產生負電壓？

各位工程師在設計電路時，可能會遇到需要負電壓供電的系統，比如使用負電壓為IGBT提供關斷負電壓、運放系統中用正負對稱的偏置電壓供電。那么，該如何產生一個穩定可靠的負電壓呢？以下這幾種方法僅供參考：

一是，電荷泵提供負壓。TTL電平/232電平轉換芯片（如MAX232、MAX3391等）是最典型的電荷泵器件，可以輸出較低功率的負壓。但有些LCD要求-24V的負偏壓，則需要另外想辦法。可用一片max232為LCD模塊提供負偏壓。

TTL-in接高電平，RS232-out串一個10K的電位器接到LCM的VEE。這樣不但可以顯示，而且對比度也可調。?MAX232是＋5V供電的雙路RS-232驅動器，芯片的內部還包含了+5V及±10V的兩個電荷泵電壓轉換器。設計高壓電荷泵需要較多的開關，用分離元件實現起來就有點困難了，不如用電感來得簡單。

一般來說，1個三極管或MOSFET，1個比較器或通用運放（做PWM振蕩），1個電感，1個肖基特二極管和若干阻容元件就可以搞定。如果你的MCU自身帶有PWM接口，且軟件允許的話，那就更簡單了。

二是，反相器提供負壓。反相器的輸出接一個電容C1，C1的另一端接二極管D1的正極和二極管D2的負極，D1的負極接地，D2的負極接電容C2，C2的另一端接地。C2的容量要大于C1。

例如，C1用0.1μF，C2用?0.47μF，當然最佳數值可由試驗確定。反相器的輸入端加一個方波，其幅值應該能使反相器正常工作，那么在反相器的輸出端就出現一個相位相反的方波。電容C2上就會出現一個負電壓，理論上比電源電壓低0.7V,然后再穩壓到-5V。

三是，負壓電源轉換器產生負壓。MAX749是一個專門用來產生負電壓的電源轉換器。?MAX749為倒相式PFM開關穩壓，輸入電壓+2V至+6V，輸出電壓可達-100V以上，可通過內部的D/A轉換器進行調節，或者通過一個PWM信號或電位器進行調節。MAX749采用一種電流控制方法，既減小了靜態電流消耗，又提高了轉換效率。關斷方式下,靜態電流僅為15mA。MAX749在關斷方式下仍保持DAC的設定值，從而簡化了軟件控制。

使用MAX749產生負壓時，應注意外圍元件的選擇，這里特別說明幾點：

?晶體管：可以用PNP晶體管或P溝道MOSFET。前者經濟，使用簡單；后者能提供更大電流，且轉換效率較高，但往往需要較高的輸入電壓（通常要求?+5V或?+5V以上）。如使用2SC8550三極管，可以提供較大的輸出電流。

? RSENSE：RSENSE是一個微阻值的檢測電阻，可以用一小段康銅絲代替，但不能直接用0Ω電阻短路。RSENSE的大小與輸出電流成反比關系，因此可根據電流需要確定RSENSE的最大值，但為了保證轉換效率,不宜取得過小。一般在輸出電壓為-24V的情況下，要求輸出電流為0.5A左右時,?可取RSENSE=0.25Ω，輸出電流為0.8A左右時，可取RSENSE=0.2Ω。

?RBASE?：RBASE應足夠小以保證晶體管能處在飽和狀態,但RBASE太小又降低了轉換效率,通常在160Ω~470Ω之間取值。

?另外，電感L的感值在22-l00mH之間，通常取47mH，為提高效率，電感的內阻要小，最好在300mΩ以下；二極管可用IN5817-IN5822系列快恢復二極管；CCOMP取決于RFB及電路布局,通常在100pF-l0nF之間取值。

四是，專用DC/DC電壓反轉器提供負壓。ME7660是一種DC/DC電荷泵電壓反轉器，采用AL柵?CMOS工藝設計。該芯片能將輸入范圍為+1.5V至+10V的電壓轉換成相應的-1.5V至-10V的輸出，并且只需外接兩只低損耗電容,無需電感。芯片的振蕩器額定頻率為10KHZ，應用于低輸入電流情況時，可于振蕩器與地之間外接一電容，從而以低于10KHZ的振蕩頻率正常工作。

ME7660轉換器的特點如下：?轉換邏輯電源+5V為±5V雙相電壓；?輸入工作電壓范圍廣：1.5V-10V；?電源轉換效率高：98%;??低功耗：靜態電流為90μA（輸入5V時）；? ME7660轉換器多用于LCD、接口轉換器及儀表等場合。

五是，輸出正電壓的DC/DC轉換器產生負壓。除了上述方法之外，也可用一些輸出正電壓的DC/DC轉換器產生負壓，比如降壓型開關穩壓器LM2596等，只需以GND為參考鎖住反向調節器，在輸出參考等方面稍作改變就可以了。由于GND端不是接地而是接到負輸出電壓端上，所以需要相應的電平轉換裝置，比如光藕或三極管。總而言之，負電壓設計方案多種多樣，哪一個方案更適合你的設計，還要綜合考慮不同應用、不同技術要求而定。

為什么通信設備使用-48V這樣的負電源系統

使用-48V電源是歷史原因造成的。使用最早的通訊網是電話網，話機是由電訊局供電的，選48V是在當時的條件下盡可能提高用戶到端局的距離（36V是安全電壓，超過太多不安全）。后來為了兼容早期設備、降低成本考慮，局端通訊設備還是用-48V電源。

同樣，采用負電源系統，正極接地只是約定俗成。原來有個說法是空氣中有大量的負電荷，根據電化學知識，正極接地可以吸附空氣中的負離子，從而保護電信設備的外殼不被銹蝕。其實這種說法不是很對。原電池反應和電解反應是會導致設備生銹，但是因為它們在設備上是以微觀形式存在的，幾乎沒有影響。

例如非通訊系統的網絡都是負極接地（例如您正在使用的計算機），但是并沒有生銹。并且-48V內部都通過DC/DC隔離，DC/DC輸出的就是負極接地，也沒有看到單板腐蝕生銹。所以不論哪個極接地，都是一樣的。

至于設備的外殼接地（接PGND），這是出于保護性的目的，將設備上累積的電荷快速瀉放到大地，從而不會損傷設備和工作人員。我們的產品基本上都是使用-48V電源系統，一般測到的實際電壓是–53.5V。

這是因為出于可靠考慮，通訊設備都帶有備用電池（-48v），為了保證電池的可靠充電，供電電壓需要略高于電池電壓。通過媒介可能還會了解到有使用-24V電源系統的設備，這是現代一些內部設備為設計方便而使用的。

一般測量到電源的輸出電壓26.8V。一般要求設備在電壓波動范圍±20%內工作正常。對-48V系統設備就是要求工作電壓范圍-38.4V ~~57.6V，但是我們實際上一般要求工作范圍–36V~~ -72V。主要是考慮-48V系統設備要兼容–60V電源系統，它要求–48 ~~-72V。這樣取合集就是就是要求工作電壓范圍約-36V~~ -72V。

順便提一下，-48V電源系統只是我國和大部分國家采用的通信電源標準，并非所有國家都使用這個標準，例如俄羅斯會使用-60V的電源系統，還有某些國家使用-24V的電源系統。

如果產品要在這些地區銷售，就要兼顧這些不同的標準。市電的標準在世界范圍內也是不同的，例如我國和歐洲等采用220V的市電系統，美國、日本等是110V的市電。

正極接地主要是為了防止電極的腐蝕。電話局蓄電池組-48V或-24V是正極接地，其原因是減少由于繼電器或電纜金屬外皮絕緣不良時產生的電蝕作用，使繼電器和電纜金屬外皮受到損壞。因為在電蝕時，金屬離子在化學反應下是由正極向負極移動的。繼電器線圈和鐵芯之間的絕緣不良，就有小電流流過，電池組負極接地時，線圈的導線有可能蝕斷。

反之，如電池組正極接地，雖然鐵芯也會受到電蝕，但線圈的導線不會腐蝕，鐵芯的質量較大，不會招致可察覺的后果。正極接地也可以使外線電纜的芯線在絕緣不良時免受腐蝕。（注：隱含條件是繼電器鐵芯接地）

**如何為單極負電源增加高效的正供電軌

**有時候您需要正電源，但大部分可用的供電軌（或僅有的可用供電軌）提供的都是負電源。事實上，負到正電壓轉換已用于汽車電子，以及各種音頻放大器、工業和測試設備的偏置電路中。雖然在許多系統中是電源通過相對于地的負供電軌分配，但這些系統中的邏輯板、ADC、DAC、傳感器和類似器件仍然需要一個或多個正供電軌。這里介紹一種簡單高效且組件數量少的電路，用于從負供電軌生成正電壓。

電路描述和電驅動系統功能

圖1顯示將負電壓高效轉化為正電壓的完整解決方案。這種特定的解決方案使用升壓拓撲。電驅動系統包括開關MOSFET、底部Q1、頂部Q2、電感L1和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控制器IC通過改變電驅動系統中開關MOSFET的狀態來調節輸出電壓。為了描述這種電路，將系統接地(SYS_GND)用作極性參考，得到一個相對于SYS_GND為負的輸入供電軌(–VIN)和一個相對于SYS_GND為正的輸出供電軌(+VOUT)。

轉換器的工作方式如下。如果晶體管Q1開啟，電流從SYS_GND流向負供電軌。晶體管Q2關閉，電感L1將電能存儲在其磁場中。在開關周期的剩余時間里，Q1關閉，Q2開啟，電流開始從SYS_GND流向+VOUT供電軌，將L1電能釋放給負載。

圖1.負正轉換器電氣原理圖，VIN為–6 V至–18 V（峰值為–24 V），6 A時VOUT為+12 V。

電驅動系統組件選擇的基本表達

圖2所示的開關行為拓撲關系圖描述了負正轉換器的行為。在開關周期的首個區間，在占空比定義的時長內，底部開關BSW短路，頂部開關TSW斷開。電感電壓L等于–VIN。在此區間內，電感L中的電流增加，在電感兩端生成電壓極性匹配–VIN。與此同時，輸出濾波器電容放電，為系統負載提供電流。

圖2.負到正轉換器拓撲關系圖。

在周期的第二個區間，兩個開關切換，BSW斷開，TSW短路。電感L的極性改變，電感開始向負載和輸出濾波電容器COUT提供（在周期的第一個區間內儲存的）電流。在這段周期內，電感的電流相應降低。電感的伏秒平衡定義轉換器在連續導通模式下的占空比D。

計算時序和組件應力

以下是描述時序和電驅動系統組件應力的公式。

占空比決定開關的開/關時間

輸入電流IOUT的平均值就是輸入電流

電感電流的峰值

開關MOSFET上的電壓應力

通過底部MOSFET的平均電流

通過頂部MOSFET的平均電流

這些表達公式可以幫助您理解拓撲的功能，并初步選擇電驅動系統組件。關于最終選擇和詳細的設計，請使用LTspice?建模和模擬工具。1

轉換器控制描述和功能

輸出電壓檢測和控制電壓的電平轉換通過由PNP晶體管Q3和Q4形成的電流鏡管控。反饋電流IFB在此電路中為1 mA）決定反饋回路中的電阻值。

其中VC為誤差放大器的基準電壓。

其中RFB(T)為輸出電壓檢測電阻。

圖1所示的反饋電路是一種低成本解決方案，但分立式晶體管的容差可能會受基極發射極電壓和溫度變化差值影響。為了提高精度，可以使用配對的晶體管。

轉換器電驅動系統由LTC7804升壓控制器管控。之所以選擇該芯片，是因為它支持同步整流，易于實現，可以提供高開關頻率操作（如果需要小尺寸電感）和低靜態電流，因而具有高效率。

測試結果和拓撲限制

此解決方案經過了仔細測試和驗證。圖3顯示在各種負載電流下都能保持高效率，達到96%。注意，隨著輸入電壓絕對值減小，輸入電流和電感電流增大。在某個點，電感電流可能會超過電感的最大電流或飽和電流。從圖4的降額曲線可以明顯看出。在–9 V到–18 V范圍內，最大負載電流為6 A，輸入電壓絕對值低于–9 V時，該值更小。圖6解決方案電路板的熱性能見圖5。